Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса

Принцип действия центробежного насоса понятен из рис. 1. На нем представлена схема рабочего колеса насоса с профильными лопатками. Если перейти в систему координат, связанную с вращающимся колесом, то можно считать, что само колесо стоит неподвижно, а на заполняющую его жидкость действует центробежная сила ρω²r (где р — плотность жидкости; ω — угловая скорость вращения; r — расстояние частицы жидкости от оси вращения).

Центробежная сила заставляет жидкость двигаться вдоль лопаток колеса от центра к периферии. Эта сила способна преодолеть перепад давления ∆р = р_н — р_в равный разности давления р_н нагнетания (на периферии колеса) и давления р_в всасывания (в его центральной части), т.е. заставить жидкость перемещаться из области низкого давления в область высокого давления (см. рис. 1). Разумеется, что для такого принудительного перемещения необходимы затраты энергии на вращение рабочего колеса.

Та часть насоса, в которой находится рабочее колесо, обеспечивающее напорное перемещение жидкости от мень­шего давления к большему, называется центробежным на­гнетателем, а та часть насоса, которая создает вращения вала с находящимся на нем рабочим колесом — приводом насоса. Приводом насоса может быть электрический двига­тель, двигатель внутреннего сгорания или иное механическое устройство.

рассмотрим рабочее колесо с радиально расположенными на нем лопатками. Уравнение баланса сил, действующих на жидкость, движущуюся по радиусу от центра колеса к периферии, можно записать следующим образом:

Рис.1.

Здесь dρ/dr — радиальный градиент давления, противодейст­вующий движению; f_τ(Q) — сила трения. Последняя зависит от подачи Q (для насосов подачей называют расход жидкости), причем, как правило f_τ(Q) возрастает при увеличении Q.

Проинтегрировав уравнение баланса сил от 0 до R (R — радиус рабочего колеса), получим:

или

(1)

Отсюда видно, что вращение рабочего колеса с угловой скоростью со способно заставить жидкость перемещаться против разности давлений ∆р между периферией колеса и его центральной частью, причем максимальное значение разности давлений, которое способна преодолеть центробежная сила, равно ρω²R²/2. Такое значение ∆р достигается при Q = 0, когда сила трения отсутствует, при других же Q имеет место соотношение (1), называемое

(Q — ∆р)- характеристикой насоса. При увеличении ∆р подача Q насоса уменьшается и, наоборот, чем меньше перепад давлений, который должен преодолеть нагнетатель, тем больше будет подача жидкости.

Величина ∆р = р_н — р_в называется дифференциальным давлением, а соответствующая ему величина Н =(р_н — р_в)/ρg — дифференциальным напором насоса: